Hoje, o smartphone médio exibe recursos fantásticos. Frustrante apenas uma coisa - a bateria, que mal dá para um dia de trabalho ativo! Nesta postagem, discutiremos como e por que as fontes de alimentação evoluíram nos telefones celulares e o que são tecnologias de carregamento rápido de bateria. E, ao mesmo tempo, dissiparemos alguns velhos mitos sobre o manuseio "correto" das baterias.
Olá, Habr! Nós somos Anker, e esta é a nossa primeira, mas está longe de ser a última, postagem no Hubblog. Caso alguém não saiba, a Anker é a maior fabricante mundial de carregadores de celular para vendas no varejo, fundada pelo ex-engenheiro do Google Stephen Young. Porém, nosso portfólio não se limita apenas a exercícios. A marca Anker vende uma variedade de cabos USB e bancos de energia, fones de ouvido e alto-falantes portáteis, hubs USB, estações de encaixe e até mesmo aspiradores de pó robóticos! E tudo isso é nosso próprio desenvolvimento. Não reclassificamos os produtos de terceiros. A Anker emprega centenas de engenheiros que fazem pesquisas reais, desenvolvimento e testes de novos produtos.
Neste blog, falaremos sobre tecnologia pelo prisma de nossa especialização, compartilharemos conhecimentos e percepções da equipe internacional da Anker. Garantimos que você não encontrará nenhuma declaração intrusiva de propaganda e marketing aqui. E agora faremos uma pequena excursão pela história do carregamento de telefones celulares (nosso tópico favorito). Como os primeiros telefones celulares foram carregados, como funcionam as tecnologias de carregamento rápido e por que é hora de esquecer os mitos sobre as baterias - aqui e agora.
Baterias em telefones anteontem, ontem e hoje
A história das baterias de telefone remonta à década de 1940, quando os carros da polícia em St. Louis, pcs. Missouri, telefones de rádio apareceram. Eles eram alimentados por uma bateria de carro, uma carga completa da qual era suficiente para cerca de seis chamadas curtas. A bateria do carro foi carregada com o motor ligado. Por várias décadas, os telefones celulares permaneceram um acessório caro em carros executivos premium - os eletrônicos daquela época exigiam amperagem tanto que nenhuma das baterias compactas poderia alimentá-los.
Isso continuou até 1973, quando o primeiro telefone celular verdadeiramente portátil Motorola apareceu, mais tarde denominado DynaTAC 8000X (começou a ser vendido apenas em 1983). O telefone continha uma bateria de níquel-cádmio de seis células com capacidade total de 500 mAh. Uma carga foi suficiente para 30-40 minutos de conversa (dependendo da intensidade do sinal da estação base).
O carregador do DynaTAC 8000X tinha uma função de carregamento lento - trata-se do fornecimento de uma bateria já carregada com baixas correntes para compensar sua autodescarga, que é o pecado das baterias de níquel-cádmio. Demorou 10 horas para recarregar o telefone do zero. Para os empresários apressados, a Motorola oferece um carregador rápido especial - um dock de 2 kg que pode carregar uma bateria DynaTAC 8000X em apenas uma hora! Ao mesmo tempo, o telefone quase não aqueceu e a bateria não se degradou. Na verdade, o carregamento rápido de telefones não apareceu “ontem”, mas 37 anos atrás.
Enquanto os telefones celulares desenvolviam novas baterias compactas de níquel-hidreto metálico na primeira metade da década de 1990, uma verdadeira revolução ocorreu no mercado de baterias: em 1991, a Sony lançou a primeira bateria de íon-lítio que veio com filmadora de filme CCD-TR1. As baterias de íon de lítio superaram suas predecessoras em termos de vida útil e densidade de energia. Além disso, não havia nenhum "efeito memória" neles, o que finalmente deu aos compradores de eletrônicos portáteis a oportunidade de carregar seus equipamentos de uma nova maneira - sem esperar que a bateria fosse totalmente descarregada e sem carregá-la totalmente.
Com o advento das baterias de íon de lítio, o tempo de espera dos telefones aumentou para dias ou até semanas, em comparação com um ou dois dias antes. A era dos computadores pessoais de bolso (PDAs) "glutões" e, mais ainda, dos smartphones ainda não haviam chegado, então recarregar o telefone uma vez por semana era comum - simplesmente não havia necessidade de um carregamento "rápido". Mas o progresso não parou e, no final dos anos 1990, as baterias de polímero de lítio foram colocadas à venda. O lendário 1999 Ericsson T28 se tornou o primeiro telefone com bateria de polímero de lítio.
Este não era um novo tipo de bateria, mas apenas uma pequena atualização das células de íon-lítio: o eletrólito líquido nelas foi substituído por um sólido ou em gel, o que aumentou a densidade de energia. Mas o aumento da densidade de energia tornou possível fazer baterias mais finas com a mesma capacidade. Ou mais amplo do mesmo tamanho. A capacidade das baterias aumentou significativamente, mas a velocidade de carregamento não mudou. Na maioria das vezes, os smartphones vinham com os dispositivos de memória mais baratos com uma potência de saída de cerca de 5 W, que demorava até três horas para recarregar a carga de uma bateria espaçosa. Mesmo se os usuários comprassem adaptadores com uma potência de 10 W, o controlador de energia do smartphone nem sempre concordava em fornecer essa alimentação para a bateria, permanecendo fiel ao perfil 5V / 1A seguro.A necessidade de carregar um smartphone por horas agonizantemente longas fez as engrenagens do progresso moverem-se - no início de 2010, os fabricantes de dispositivos móveis estavam ativamente procurando maneiras de recarregar baterias rapidamente. E eles encontraram.
Carregamento rápido: o futuro está aqui
No final do século 20, demorava em média de uma hora e meia a duas horas para carregar um telefone, mas os telefones celulares funcionavam com uma única carga por vários dias. Um smartphone com uma enorme capacidade de bateria de 2.000 mAh para o início de 2010 poderia ser zerado em menos de um dia - graças aos jogos exigentes, streaming de vídeo e internet móvel rápida.
O chamado carregamento "lento" via USB de acordo com o padrão de carregamento de bateria USB permite que a corrente do carregador seja aumentada para 2 A a uma tensão de 5 V, mas mesmo duas horas para recarregar um smartphone grande é muito longo.
Em 2012, foi adotado o padrão USB Power Delivery, que regulava a transferência de tensões de até 20 V e de correntes de até 5 A. através da interface USB. Verdadeiros cabos certificados de alta qualidade são necessários para altas potências. Com base nas especificações do Power Delivery, os fabricantes de chips começaram a desenvolver suas próprias soluções para smartphones de carregamento rápido. A gigante das telecomunicações Qualcomm, cujo protocolo Quick Charge 2.0 se tornou uma versão aprimorada do Power Delivery, foi a primeira a fazer isso - ao contrário do padrão original, Quick Charge 2.0 funcionava com quaisquer cabos e conectores Micro-USB 2.0.
O princípio de operação do Quick Charge 2.0 consistia no fornecimento faseado à bateria de uma tensão aumentada de até 12 V em corrente constante até cerca de metade da bateria ser carregada. Depois disso, a tensão cai e a velocidade de carregamento diminui, o que reduz o superaquecimento do smartphone e da bateria junto com ele.
Agora a quinta versão do Quick Charge já é relevante: a Qualcomm promete carregar o smartphone até 50% em 5 minutos e até 100% em 15 minutos. Isso ocorre porque Quick Charge 5.0 fornece a transferência de energia para o smartphone de até 100 watts. E sem superaquecer a bateria - o smartphone vai aquecer até no máximo 40 ° C.
Qualcomm Quick Charge é um padrão licenciado proprietário. É suportado apenas por sistemas em um chip Qualcomm Snapdragon, que, no entanto, são construídos em cerca de 40% dos smartphones Android modernos. Além disso, o Quick Charge deve ser suportado pelo carregador. A adição de Quick Charge ao PSU não afeta significativamente o preço. As fontes de alimentação com esta tecnologia são necessariamente marcadas com um logotipo com um raio e a própria porta de carregamento é destacada em cores.
Com base no Quick Charge, outras empresas desenvolveram suas próprias tecnologias de carregamento rápido totalmente compatíveis: Motorola TurboPower, Xiaomi Mi Fast Charging, Samsung Adaptive Fast Charging, Asus BoostMaster e Vivo Dual-Engine Fast Charging. Na verdade, eles não são diferentes do Quick Charge exceto pelos nomes e, portanto, funcionam perfeitamente em conjunto com fontes de alimentação com suporte para Quick Charge.
Em contraste com o carregamento com tensão aumentada, outra abordagem merecia o direito à vida - carregar baterias com correntes aumentadas em uma tensão normal de 5 V. Por exemplo, a chinesa BBK Electronics, dona da marca OPPO, escolheu este caminho. A tecnologia VOOC (Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging) fornece um smartphone com uma voltagem USB padrão de 5 V, mas com uma corrente de pelo menos 4,0 A. A terceira versão do VOOC trouxe suporte para correntes de até 5,0 A, e a quarta versão - até 6,0 A. VOOC com nomes diferentes chegou a smartphones de outras marcas da BBK Electronics: OnePlus Dash Charge, Vivo Super FlashCharge e Realme Dart Charge.
Os pequenos carregadores de 5 W que vêm com o iPhone costumam ser deixados de fora da caixa por serem desnecessários. O Anker PowerPort III Nano, embora seja semelhante em tamanho, carrega o iPhone com uma potência máxima de 18 watts. Fonte: Anker
VOOC e seus análogos são combinados com baterias especiais, divididas em setores. Uma bateria com suporte desta tecnologia carrega oito blocos de contato, através dos quais vários setores de uma bateria são carregados em paralelo.
Como a tensão de carga via VOOC é padrão, o telefone não precisa abaixá-la para alimentá-la à bateria, o que significa que o controlador não a abaixará, liberando calor que é prejudicial à bateria. Ou seja, em termos de saúde da bateria, o VOOC é mais seguro do que o Quick Charge. Outra vantagem acabou sendo que ao usar o smartphone durante o carregamento do VOOC, ele não superaquece. Mas os dispositivos com Quick Charge até a versão 5.0 são melhores para não serem usados durante a recarga, caso contrário, os smartphones começam a aquecer e o controlador de energia reduz a tensão por razões de segurança e retarda o carregamento.
O VOOC parecia muito bom até que o usuário soubesse que a tecnologia precisava de um cabo especial com condutores mais grossos para transportar altas correntes e um pino de sinalização adicional no conector.
Anker PowerIQ — ,
Como você pode imaginar, carregadores completos para smartphones sempre suportam uma tecnologia de carregamento rápido (bem, e suas "cópias"). Se você é o orgulhoso proprietário de gadgets de diferentes empresas, por exemplo, Apple iPad Pro com Power Delivery, Samsung GALAXY S9 com Adaptive Fast Charging, carregar de um gadget carregará outro gadget em modo lento.
Para um “zoológico” de dispositivos de diferentes marcas, é útil comprar um adaptador universal com várias saídas para carregamento simultâneo de todos os gadgets - para que o carregador entenda com qual padrão de carregamento rápido o gadget conectado funciona e comece a carregar de acordo com esse padrão.
Em todos os carregadores Anker, a tecnologia Anker PowerIQ é responsável por isso. Por exemplo, o Anker PowerPort Atom III tem saídas USB-C e USB-A, cada uma marcada com PowerIQ 3.0 e PowerIQ 2.0, respectivamente. Essas saídas podem ser usadas para conectar smartphones, tablets e até mesmo laptops com suporte para USB Power Delivery, Qualcomm Quick Charge e seus análogos - em todos os casos, o adaptador selecionará o modo de energia máxima permitida, seja 5 V / 2,4 A, 9 V / 2 A ou mesmo 12 V / 1,5 A.
O Anker Powerport III Nano 20W pode ser um assistente indispensável neste caso. É o carregador mais fino e leve da linha Anker. A novidade caberá em quase todos os dispositivos Apple e Android e eliminará a necessidade de ter uma memória pessoal para cada gadget. Ele possui uma única porta USB-C capaz de fornecer até 20W de energia usando o padrão Power Delivery. Os engenheiros da Anker Innovations encaixam 20 W em um adaptador medindo 2,74 x 3,00 cm, que é comparável ao tamanho de uma moeda de 5 rublos.
Todo carregador Anker com tecnologia PowerIQ possui um chip que se comunica com o dispositivo conectado e seleciona o protocolo de energia mais eficiente para ele. Por exemplo, PowerIQ 3.0 funciona com Power Delivery, Quick Charge e Apple Fast Charging. Quando um smartphone é conectado, o chip PowerIQ envia comandos, com os quais oferece ao smartphone, por sua vez, os protocolos de alimentação compatíveis. Se o smartphone responder que pode funcionar com Power Delivery ou Quick Charge, o carregador Anker transmite dados sobre a tensão e corrente de saída suportada. O smartphone escolherá o modo de alimentação ideal entre os propostos e enviará um comando sobre isso ao carregador. Depois disso, o carregador Anker vai regular a tensão de acordo com o perfil selecionado, e o smartphone vai consumir corrente de acordo com o protocolo.
Vários mitos sobre o carregamento da bateria
Os usuários de smartphones ainda discutem na Internet sobre os perigos do carregamento rápido de baterias. Alguns apontam que qualquer desvio da combinação comprovada de 5 V / 2 A (10 W) ao longo dos anos prejudica a bateria, enquanto outros citam resultados de pesquisas provando que fornecer energia ao telefone mesmo a 30 W, se afetar a saúde da bateria, é extremamente insignificante. ... Vamos agora destruir impiedosamente isso e mais alguns mitos sobre o carregamento de baterias.
Obviamente, altas correntes de carga e descarga não são boas para baterias. Mas vale a pena ter medo de carregar o gadget dessa forma, ou se o efeito negativo disso se manifestar, então mais perto do fim da vida do smartphone? O carregamento diário no modo mais suave (5 V / 1 A) reduzirá a capacidade da bateria de polímero de lítio em cerca de 10-15% em 400 ciclos, o que corresponde a um ano e meio de uso do dispositivo. Após atingir 500 ciclos, é recomendável trocar a bateria do telefone, pois com o passar do tempo, a capacidade da bateria não cai linearmente, mas exponencialmente.
O efeito do carregamento rápido no desgaste da bateria foi testado por especialistas do SLAC National Accelerator Laboratory (um laboratório da Universidade de Stanford) em 2014. Resultados da pesquisamostrou que o estado do ânodo e do cátodo não muda dependendo da taxa de carga da bateria. Em 2020, os funcionários da DDay.it realizaram um teste de estresse para o smartphone OPPO Find X2 Pro com tecnologia VOOC. Em um mês e meio, o telefone foi carregado com um adaptador de 65 W, durante o teste a bateria sobreviveu a 248 ciclos. Para uma descarga rápida, uma carga extrema artificial foi criada no telefone, a partir da qual o dispositivo aqueceu até os nocivos 44 ° C. Ao final do experimento, a bateria perdeu cerca de 15% de sua capacidade, embora inicialmente fosse assumido que a degradação seria de até 35%. Se não fosse pelas cargas elevadas e a temperatura perigosa para a bateria, a queda na capacidade seria ainda menor.
É surpreendente que, mesmo em 2020, entre usuários de smartphones inexperientes, existam mitos de longa data sobre o carregamento "correto". Por exemplo, algumas pessoas ainda “balançam” a bateria depois de comprar um telefone, carregando o dispositivo até o fim e descarregando-o até zero várias vezes, como era recomendado no início dos anos 1990 para células de níquel-hidreto metálico. Isso supostamente ajuda a usar toda a capacidade da nova bateria e, se isso não for feito, o smartphone, dizem, será descarregado mais cedo do que deveria. Alguém também chama esse processo de "calibrar o controlador de potência".
Na verdade, as baterias de íon de lítio não precisam de nenhum "treinamento" antes de usar o dispositivo, vários ciclos completos de carga e descarga não afetarão a capacidade da bateria e não aumentarão a possível vida útil da bateria por um minuto. O controlador sabe perfeitamente com que capacidade tem de trabalhar e, além disso, às vezes ele próprio, sem intervenção do usuário, calibra à medida que a bateria se degrada.
lenda sobre a importância do "swing" das baterias ainda alimenta o mito do efeito memória. O próprio efeito memória, quando a capacidade da célula é perdida devido à recarga frequente de uma bateria completamente descarregada, realmente existe. Aqui estão apenas as primeiras baterias de íon de lítio e as modernas baterias de polímero de lítio praticamente não têm esse efeito (sua manifestação é desprezível). As baterias obsoletas de níquel-cádmio e, em menor grau, de níquel-hidreto metálico, que não são usadas em aparelhos desde o final dos anos 1990, têm tendência ao efeito memória.
O terceiro mito diz que os smartphones não podem ser deixados conectados a um carregador por muito tempo, por exemplo, durante a noite - como se a bateria estivesse sobrecarregada além da medida, razão pela qual ela perde sua capacidade e pode até pegar fogo. Em princípio, no início da década de 1990, essa opinião ainda tinha o direito de existir, mas agora, na era das baterias de íon-lítio com controladores, não faz diferença quanto tempo você mantém o smartphone conectado à tomada. Então o controlador de energia foi inventado para evitar sobrecarga. Quando a bateria é carregada, o controlador percebe isso e entra no modo de economia de carga, reduzindo o consumo de corrente a valores próximos a zero.
* * *
Ao longo de um quarto de século, a capacidade das baterias de telefones celulares cresceu literalmente em uma ordem de magnitude, assim como o "apetite" dos gadgets. Os avanços na tecnologia de baterias não estão indo tão rápido quanto nas GPUs ou na memória, mas as baterias de polímero de lítio de hoje são um verdadeiro milagre, exigindo apenas energia de qualidade.
Para liberar todo o potencial da bateria e desfrutar de um carregamento rápido e seguro, você deve escolher um bom carregador - adaptadores de smartphone completos geralmente atendem apenas aos requisitos mínimos de carregamento. É duplamente inteligente ter um carregador universal multiporta em casa que funcione com vários protocolos de carregamento rápido e tenha saídas USB-A e USB-C para a tecnologia mais moderna e antiga.